토폴로지 레이저라고 불리는 새로운 유형의 장치가 전통적인 레이저보다 더 효율적으로 빛을 방출 할 수 있음을 이해합니다. 이제 과학자들은 통신 분야에서 사용할 수있는 실온에서 작동하는 최초의 전기 구동 토폴로지 레이저를 만들었습니다.
토폴로지는 형태의 어떤 측면이 변형에서 살아남을 수 있는지 연구하는 수학의 한 분야입니다. 예를 들어, 반지 모양의 물체는 컵 모양으로 변형 될 수 있으며 링의 구멍은 컵 손잡이에 구멍을 형성합니다. 그러나이 물체는 근본적으로 다른 비 다공성 모양으로 바뀔 수 없습니다.
토폴로지의 관점을 사용하여 연구자들은 2007 년에 최초의 전자 토폴로지 절연체를 개발했습니다. 이 절연체는 내부적으로 절연되고 외부에서 전도성이 있습니다. 이러한 물질의 가장자리 또는 표면을 따라 움직이는 전자는 흐름을 바꿀 수있는 간섭에 강하게 저항하며 "지형 학적으로 보호"라고합니다.
그런 다음 과학자들은 빛이 유사하게 보호되는 광자 토폴로지 절연체를 설계했습니다. 이 물질들은 구조가 규칙적으로 변화하므로 특정 파장의 빛이 외부를 따라 흐르고 모서리와 결함에서도 산란이나 손실이 없습니다.
다음 단계는 토폴로지 보호를 포함하는 레이저를 개발하는 것입니다. 이러한 종류의 토폴로지 레이저는 원치 않는 파장을 생성하여 에너지를 낭비하는 대신 원하는 단일 파장의 빛 만 효과적으로 생성 할 수 있습니다. 또한 "제조 또는 작동 중에 발생할 수있는 결함에 매우 민감하지 않습니다"라고 결함이있는 경우에도 순수한 빛을 생성 할 것이라고 로스 앤젤레스의 남부 캘리포니아 대학의 물리학자 인 Mercedeh Khajavikhan은 말합니다. 따라서 토폴로지 레이저는 생산 공정에서 더 높은 출력과 더 강력한 성능을 볼 수 있습니다.
그러나 첫 번째 토폴로지 레이저는 작동하기 위해 외부 레이저가 필요하므로 실제 응용 분야가 제한됩니다. 최근 과학자들은 전기적으로 구동되는 토폴로지 레이저를 개발했지만,이 레이저는 -264 ° C의 저온을 필요로하므로 응용 분야도 제한됩니다.
이 연구의 수석 저자 인 Khajavikhan과 다른 동료들은 남부 캘리포니아 대학의 최재혁 (Jae-Hyuck Choi)과 다른 동료들이 최초의 전기적으로 펌핑 된 상온 토폴로지 레이저를 개발했습니다. 그들은 Nature Communications의 6 월 8 일 호에서 그들의 발견을 자세히 설명했습니다.
새로운 장치는 10×10 링 네트워크로 구성되며 각 링은 30 미크론 폭입니다. 이 고리들은 약 5 미크론 폭의 작은 직사각형 고리에 의해 서로 연결된다. 이 모든 고리는 인듐 갈륨 비소, 인듐 포스파이드 및 인듐 갈륨 인듐 비소나이드와 같은 다층 반도체로 구성된 샌드위치 구조입니다.
전통적인 레이저에는 빛 에너지를 저장하는 공진 캐비티가 하나만 있으므로 레이저 광을 생성 할 수 있습니다. 레이저의 출력 전력을 증가시키는 한 가지 방법은 더 큰 캐비티를 제공하는 것이지만, 이로 인해 레이저는 하나가 아닌 여러 주파수를 방출합니다. Khajavikhan은이 새로운 토폴로지 레이저가 10×10 링 그리드를 다중 결합 공진기로 사용하며 순수한 단일 파장 빛을 방출하는 데 도움이되는 "여러 방이있는 집을 짓는 것과 같다"고 말했다.
어레이의 가장자리에있는 전극이 그리드로 전기적으로 펌핑되면 후광은 광섬유 통신에서 가장 일반적으로 사용되는 파장 인 1.5 미크론의 파장을 가진 레이저 광을 생성합니다. 링의 크기와 기하학, 링 사이의 위치, 반도체 층의 특정 두께 및 구성은 레이저의 빛이 지형 학적으로 보호되도록하는 데 도움이됩니다.
토폴로지 보호는 일부 링이 손실되더라도 레이저 작동에 도움이됩니다. 장치의 토폴로지는 또한 방출하는 빛이 거의 모든 필요한 파장 (유사한 배열)인지 확인하는 데 도움이되며 링의 위치가 약간 다르므로 토폴로지가 다르며 여러 가지 다른 파장으로 구성된 빛을 덜 방출합니다. 순수한 스펙트럼.
"토폴로지 포토닉스는 여러 공진기의 상호 연결이 새롭고 향상된 기능을 실현할 수있게 해주었습니다."라고 Khajavikhan은 말합니다. "소셜 미디어에서 생물학적 생태계에 이르기까지 연결성은 네트워크 기능을 결정하고 성공과 탄력성에 중요한 역할을합니다."
